低電阻碳膜板制作及其阻值的優(yōu)化

陳冠剛 程 靜

（廣東成德電子科技股份有限公司，廣東 佛山 528300）

0 前言

隨著印制電路板（PCB）及其元器件貼裝朝短小輕薄的方向發(fā)展，越來越多廠商參與元器件與PCB一體化制作的開發(fā)浪潮中，其中導(dǎo)電碳膜印制板便是較早的一體化產(chǎn)品之一。在PCB工作環(huán)境和阻值精度要求不高的情況下，碳膜印制板以其低廉的價(jià)格，穩(wěn)定的質(zhì)量以及具有雙面板相應(yīng)的性能和特點(diǎn)代替部分單、雙面印制板，尤其適合于帶有按鍵功能的電子產(chǎn)品而倍受行家們的青睞。雖然導(dǎo)電碳油墨阻值波動(dòng)幅度較大，難于受控而被具有更高阻值精度的材料和技術(shù)所取代，但由于導(dǎo)電碳膜板的制程工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且加工成本較低。如果能夠?qū)?dǎo)電碳油板的制程工藝進(jìn)行優(yōu)化，使其阻值受控和成品良率提升，那么它仍然具有廣闊的市場(chǎng)空間。

1 低阻碳膜油板的制作與阻值的關(guān)系

低電阻導(dǎo)電碳油墨選用的是英國(guó)Coates公司的產(chǎn)品XZ302-1，主要由合成樹脂、固化劑、導(dǎo)電填充料組成，其中導(dǎo)電填充料為碳粉和石墨，經(jīng)固化后可得到固定阻值的電路。導(dǎo)電碳油墨的網(wǎng)印過程大致與字符網(wǎng)印相同，備好有圖形遮蔽的鋼網(wǎng)，然后網(wǎng)印碳油，最后完成烘烤固化。

通常XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨阻值除了跟其中的非金屬導(dǎo)電碳粉和石墨含量高低、優(yōu)劣以及導(dǎo)電填充料在網(wǎng)印前的均化程度等有關(guān)外，還更多受制程的影響。因此XZ302-1低阻導(dǎo)電碳膜板的阻值設(shè)計(jì)往往是通過制作產(chǎn)品首件來確定現(xiàn)有制程條件下的方阻，一旦方阻確定后，再根據(jù)電阻值的需要最終確定碳油設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度和寬度（如圖1）。在正式投產(chǎn)之前，需要做首件來確定初步圖形設(shè)計(jì)的最終阻值，以此逆推得出方阻 后，方能確定文件的設(shè)計(jì)。

圖1 碳油墨電阻值設(shè)計(jì)示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過程中XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨阻值會(huì)不斷發(fā)生變化，在制板過程中詳細(xì)記錄每個(gè)工序后的阻值情況，總結(jié)出阻值的變化趨勢(shì)（如圖2）。

圖2 XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨生成過程中阻值變化趨勢(shì)

在XZ302-1低阻導(dǎo)電碳膜板的生產(chǎn)過程中，阻值經(jīng)過導(dǎo)電碳油墨固化后雖然有所穩(wěn)定，但在后續(xù)阻焊制作中阻值還會(huì)有所上升，回流焊處理后阻值又會(huì)出現(xiàn)輕微的下降，此時(shí)的阻值才是產(chǎn)品最終的固化值?？梢妼?dǎo)電碳油墨產(chǎn)品經(jīng)過完整生產(chǎn)流程后的阻值是忽大忽小，這之中要數(shù)阻焊制作和回流焊對(duì)最終阻值的影響最大，這也就是在常規(guī)加工方式下導(dǎo)電碳油墨阻值不易受控的真正原因，導(dǎo)致XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨阻值精度普遍不高的嚴(yán)重后果。

2 低阻碳油墨板的阻值變化誘因分析及相應(yīng)的對(duì)策

從圖2中得知阻焊制作和回流焊這兩道工序?qū)?dǎo)電碳膜板阻值的影響很大，對(duì)導(dǎo)致碳膜阻值變異誘因進(jìn)行了分析，得出相應(yīng)控制對(duì)策（見表1）。

而對(duì)于XZ302-1低阻碳膜阻值而言，表1中的前兩個(gè)被實(shí)驗(yàn)否定，剩下的原因就后兩個(gè)，一是導(dǎo)電碳油墨本身未完全固化，二是被摻雜了其他成分，顯然阻焊制作對(duì)XZ302-1低阻碳油阻值的影響屬于后者。

網(wǎng)印阻焊通常采用感光油墨，添加稀釋劑、硬化劑等，以便于更好下油、預(yù)烤、曝光、顯影和后固化等。考慮到添加稀釋劑會(huì)增強(qiáng)阻焊油墨的流動(dòng)性，而這種流動(dòng)性的增強(qiáng)又會(huì)使其更容易滲透進(jìn)導(dǎo)電碳油墨膜內(nèi)部，從而導(dǎo)致碳膜阻值上升。從圖3中可以看出XZ302-1低阻碳油阻值的上升并不呈規(guī)律性。

究其原因是阻焊油墨滲透到XZ302-1低阻碳油墨膜層中所致，那么如何才能預(yù)防阻焊油墨滲透到XZ302-1低阻碳油墨膜層中，從而使得阻焊絲印后的導(dǎo)電碳油阻值受控呢？我們做出以下幾點(diǎn)嘗試。

（1）盡可能少用稀釋劑或不用稀釋劑進(jìn)行阻焊網(wǎng)印，以此來降低阻焊油墨的滲透率。

（2）對(duì)阻焊印刷完畢后的靜置時(shí)間要嚴(yán)格控制，盡可能在阻焊網(wǎng)印完畢后3 min內(nèi)進(jìn)行預(yù)烤，以確保阻焊油墨及時(shí)烘干，從而阻止了油墨過度向碳膜油層滲透。

經(jīng)過以上的優(yōu)化阻焊工藝，再進(jìn)行試板制作并及阻值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果（如圖4）表明阻焊制作后碳膜阻值沒有出現(xiàn)上述大幅度地飆升，而是穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，充分證明XZ302-1低阻碳膜阻值異常確實(shí)是阻焊油墨滲透到碳膜層中所致?？梢姽芸刈韬笇?duì)碳膜阻值影響的關(guān)鍵在于控制阻焊油墨的流動(dòng)性，只需要控制稀釋劑濃度和烘烤時(shí)間即可（如圖4）。

表1 導(dǎo)致阻值變異的因素與控制對(duì)策

圖3 常規(guī)阻焊制作中低阻碳膜阻值變化

圖4 阻焊制作工藝優(yōu)化后低導(dǎo)電碳油墨膜阻值變化

3 回流焊對(duì)低阻碳油墨膜阻值的影響及控制對(duì)策

上文已經(jīng)談到導(dǎo)電XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨膜阻值改變的原因?qū)щ娛翘加湍赐耆袒?，或者被摻雜了異物。假如制作的導(dǎo)電碳膜板阻值經(jīng)過回流焊處理后的阻值還是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，那么導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因就只能是碳膜未完全固化這一個(gè)因素。

我們就在三種不同的固化條件下做了XZ302-1低阻導(dǎo)電碳膜板回流焊處理并測(cè)量阻值，得出的結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 180 ℃烘烤1 h

圖6 180 ℃烘烤4 h

圖7 兩次180 ℃烘烤1 h

可見導(dǎo)電碳油墨在常規(guī)溫度下多次長(zhǎng)時(shí)間烘烤，其阻值在回流焊處理后仍然出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)。圖5、圖6、圖7還呈現(xiàn)的另一個(gè)重要信息是回流焊處理后阻值都幾乎穩(wěn)定在某個(gè)值附近，且浮動(dòng)范圍極小，而該值正是我們所期望的最終固化阻值。于是嘗試在常規(guī)導(dǎo)電碳油墨固化工序后再添加回流焊處理，以期完成阻值的完全固化。

按照上述思路常規(guī)固化后的PCB再進(jìn)行常規(guī)無鉛回流焊處理，采用上述優(yōu)化后的阻焊工藝制作阻焊層，待阻焊固化后再做回流焊并進(jìn)行阻值測(cè)試，測(cè)得結(jié)果（如圖8）。

圖8 采用回流焊處理低阻導(dǎo)電碳油阻值的測(cè)試結(jié)果

果然，經(jīng)過網(wǎng)印導(dǎo)電碳油墨→烘烤→回流焊→絲印阻焊層→回流焊處理后，其阻值變化幅度變得非常小。

4 精確阻值的優(yōu)化后制作流程。

經(jīng)過上述網(wǎng)印XZ302-1低阻導(dǎo)電碳油墨→烘烤→回流焊→網(wǎng)印阻焊層→回流焊處理工藝流程優(yōu)化后，低阻導(dǎo)電碳油墨阻值受控程度得到大幅提升，其制板過程中的阻值變化趨勢(shì)（見圖9）。

圖9 工藝流程優(yōu)化后的生產(chǎn)過程阻值變化

可見，在碳油墨烘烤后加入回流焊處理，使碳油阻值完全固化，再嚴(yán)格控制阻焊油墨的流動(dòng)性，使得阻焊后碳油阻值穩(wěn)定在某個(gè)可控的小范圍內(nèi)，再經(jīng)后續(xù)工藝即便是裝配元器件通過回流焊處理，碳膜阻值就不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。

我們采用上述優(yōu)化措施后得到穩(wěn)定受控的最終阻值，便可以準(zhǔn)確逆推當(dāng)前導(dǎo)電碳油墨的方阻 ，再由方阻值 來確定網(wǎng)印碳油的設(shè)計(jì)尺寸，根據(jù)碳膜的設(shè)計(jì)尺寸來完善工程資料，就可以進(jìn)行正式投產(chǎn)。

5 制程優(yōu)化后效果驗(yàn)證

圖10成功運(yùn)用了上述制程生產(chǎn)出的低阻導(dǎo)電碳膜成品板及其終阻值隨固化后的碳膜厚度變化趨勢(shì)。

圖10 制程優(yōu)化后XZ302-1低阻導(dǎo)電碳膜成品板阻值隨碳膜厚度的關(guān)系

6 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)導(dǎo)電碳油墨阻值變動(dòng)的誘因分析，我們得出了相應(yīng)的控制對(duì)策并對(duì)工藝制程進(jìn)行優(yōu)化，然后在優(yōu)化制程后生產(chǎn)出的低阻導(dǎo)電碳膜成品板阻值得到了較好的控制，其阻值精度和成品良率都得到了大幅度的提升。

盡管導(dǎo)電碳油墨絲印技術(shù)并非當(dāng)前埋置電阻板的最優(yōu)制作方案，但適當(dāng)?shù)牧鞒虄?yōu)化也能提升現(xiàn)有導(dǎo)電碳膜阻值精度和良率，使得導(dǎo)電碳膜依然能夠滿足與當(dāng)前新材料埋阻電子產(chǎn)品相仿的功能要求。